Delta 7/2024

Kwadraty grecko-łacińskie i płaszczyzny rzutowe

Afiliacja: Wydział Nauk Ścisłych i Przyrodniczych, Uniwersytet Pedagogiczny w Krakowie

Drogi Czytelniku, spróbuj wskazać jakieś nieprzeciętne cechy poniższych dwóch układów liczb, wpisanych w tablice o wymiarach \(5\times 5.\) \[\renewcommand{\arraystretch}{1.2}\begin{array}{|c|c|c|c|c|} \hline 1 & 2 & 3 & 4 & 5\\ \hline 2 & 3 & 4 & 5 & 1\\ \hline 3 & 4 & 5 & 1 & 2\\ \hline 4 & 5 & 1 & 2 & 3\\ \hline 5 & 1 & 2 & 3 & 4\\ \hline \end{array}\ \ \ \renewcommand{\arraystretch}{1.2}\begin{array}{|c|c|c|c|c|} \hline 1 & 4 & 2 & 5 & 3\\ \hline 2 & 5 & 3 & 1 & 4\\ \hline 3 & 1 & 4 & 2 & 5\\ \hline 4 & 2 & 5 & 3 & 1\\ \hline 5 & 3 & 1 & 4 & 2\\ \hline \end{array}\] W obu przypadkach umieszczono liczby od 1 do 5, każda pojawia się pięciokrotnie – ciężko to jednak uznać za ,,nieprzeciętne cechy”. Istotniejsze jest to, że w każdym wierszu i każdej kolumnie pojawia się pełen zestaw liczb od 1 do 5. Dzięki temu oba układy zasługują na miano kwadratów łacińskich. Najistotniejszym zaś jest dla nas to, co ukazuje się naszym oczom po sparowaniu liczb stojących w odpowiednich polach tych tablic. \[\renewcommand{\arraystretch}{1.2}\begin{array}{|c|c|c|c|c|} \hline (1,1) & (2,4) & (3,2) & (4,5) & (5,3)\\ \hline (2,2) & (3,5) & (4,3) & (5,1) & (1,4)\\ \hline (3,3) & (4,1) & (5,4) & (1,2) & (2,5)\\ \hline (4,4) & (5,2) & (1,5) & (2,3) & (3,1)\\ \hline (5,5) & (1,3) & (2,1) & (3,4) & (4,2)\\ \hline \end{array}\] Okazuje się, że otrzymany kwadrat ma niezwykłą cechę – w każdym polu znajduje się unikalna para \((x,y),\) gdzie \(x\) oraz \(y\) są liczbami z zakresu od \(1\) do \(5.\) W takiej sytuacji mówimy, że dwa kwadraty łacińskie są wzajemnie ortogonalne (krótko: ortogonalne), a połączony z nich kwadrat nazywamy kwadratem grecko-łacińskim.

Historia badania kwadratów grecko-łacińskich sięga Leonharda Eulera. Jeśli wierzyć przekazom, w drugiej połowie XVIII wieku caryca Katarzyna Wielka przesłała uczonemu następujący problem, zwany współcześnie problemem \(36\) oficerów:

Jako łamigłówka kwadraty grecko-łacińskie pojawiły się nawet wcześniej. W 1725 roku Jacques Ozanam zaproponował następujący problem: ułożyć wszystkie karty wszystkich kolorów od waleta do asa w kwadrat tak, aby w każdym rzędzie i w każdej kolumnie obecny był każdy kolor i każda wartość karty. Poniżej jedno z rozwiązań: \[\renewcommand{\arraystretch}{1.2}\begin{array}{cccc} A\spadesuit &\textcolor{red}{ K\heartsuit} & Q\textcolor{red}{ \diamondsuit }& J\clubsuit\\ Q\clubsuit & \textcolor{red}{ J\diamondsuit }& \textcolor{red}{ A\heartsuit }& K\spadesuit\\ \textcolor{red}{ J\heartsuit} & Q\spadesuit & K\clubsuit & \textcolor{red}{ A\diamondsuit}\\ \textcolor{red}{ K\diamondsuit} & A\clubsuit & J\spadesuit & \textcolor{red}{ Q\heartsuit} \end{array}\]

Ustawić \(36\) oficerów z \(6\) różnych pułków tak, aby stali w kwadracie, i tak, aby w każdej linii (zarówno poziomej, jak i pionowej) było \(6\) oficerów różnych stopni i różnych pułków.

Innymi słowy, caryca poprosiła Eulera o skonstruowanie kwadratu grecko-łacińskiego o wymiarach \(6\times 6.\) Uczony nie potrafił rozwiązać tego problemu, ale udało mu się odkryć ogólną metodę konstrukcji kwadratów grecko-łacińskich rzędu \(n,\) gdy \(n\) jest nieparzyste lub jest podzielne przez \(4.\) W swoich rozumowaniach do oznaczania elementów z pierwszego kwadratu Euler używał liter alfabetu łacińskiego, a do drugiego – greckiego, i podobno stąd wzięła się nazwa kwadrat grecko-łaciński.

Euler postawił również hipotezę, że jeśli \(n=4k+2,\) to kwadrat takiego rzędu nie istnieje, co łatwo uzasadnić dla \(k=0.\) Przypadek \(k=2,\) czyli problem 36 oficerów, czekał na rozwiązanie aż do początku XX wieku, kiedy to Gaston Tarry udowodnił, że faktycznie problem ten nie ma rozwiązania [1]. W pełnej ogólności hipoteza Eulera czekała jeszcze pół wieku, zanim została całkowicie rozstrzygnięta. W \(1959\) roku trójka matematyków – Raj Bose, Ernest Parker i Sharadchandra Shrikhande – wykazała, że hipoteza Eulera jest fałszywa dla wszystkich \(k\geq 3\) [2].

O historii problemu 36 oficerów można było też przeczytać niedawno w Delcie, w artykułach 36 splątanych oficerów (\(\Delta^{3}_{23}\)) oraz 37 lat później (\(\Delta^{12}_{23}\)).

Współcześnie wiemy już zatem, że dla \(n\notin\{1,2,6\}\) istnieją dwa wzajemnie ortogonalne kwadraty łacińskie rzędu \(n.\) A czy może ich być więcej? Jak najbardziej – spójrzmy od razu na przykład \(4\) wzajemnie ortogonalnych kwadratów łacińskich piątego rzędu. \[\renewcommand{\arraystretch}{1.2}\begin{array}{|c|c|c|c|c|} \hline (1,1,1,1)&(2,2,2,2)&(3,3,3,3)&(4,4,4,4)&(5,5,5,5)\\ \hline(2,3,5,4)&(3,4,1,5)&(4,5,2,1)&(5,1,3,2)&(1,2,4,3)\\ \hline(3,5,4,2)&(4,1,5,3)&(5,2,1,4)&(1,3,2,5)&(2,4,3,1)\\ \hline(4,2,3,5)&(5,3,4,1)&(1,4,5,2)&(2,5,1,3)&(3,1,2,4)\\ \hline(5,4,2,3)&(1,5,3,4)&(2,1,4,5)&(3,2,5,1)&(4,3,1,2)\\ \hline \end{array}\] W podanej tabeli dowolnie wybrane dwie spośród \(4\) współrzędnych (wybieramy takie same współrzędne z każdej czwórki liczb) tworzą nowy kwadrat, który jest klasycznym kwadratem grecko-łacińskim. Okazuje się, że piątego kwadratu łacińskiego już nie znajdziemy, gdyż zachodzi następujące

image
Ciekawą realizacją podanego układu kwadratów łacińskich rzędu 5 może być tablica pięciu różnych słów zapisanych pięcioma różnymi krojami pisma w pięciu różnych kolorach, każde słowo umieszczone na tle jednego z pięciu różnych kolorów

Twierdzenie. Istnieje co najwyżej \(n-1\) wzajemnie ortogonalnych kwadratów łacińskich rzędu \(n.\)

Dowód. Zauważmy najpierw, że wzajemna ortogonalność jest zachowana przez permutacje (tzn. przenumerowania) liczb w dowolnym kwadracie. Korzystając z tego spostrzeżenia, możemy bez straty ogólności założyć, że w każdym kwadracie pierwszy wiersz jest postaci \(1,\ldots, n.\) Zauważmy, że w każdym z kwadratów na drugim miejscu pierwszej kolumny znajduje się liczba większa od 1 (gdyż są to kwadraty łacińskie). Ponadto muszą to być różne liczby, inaczej zaprzeczylibyśmy wzajemnej ortogonalności. Istotnie, gdyby w pewnych dwóch kwadratach w tym miejscu znajdowała się ta sama liczba \(a,\) to w połączeniu tych kwadratów dostalibyśmy w tym miejscu parę \((a,a),\) która pojawiła się już w pierwszym wierszu. Te dwie obserwacje dowodzą, że wzajemnie ortogonalnych kwadratów może być co najwyżej \(n-1.\)◻

Niech teraz \(n\) będzie liczbą pierwszą.

Skonstruujemy \(n-1\) wzajemnie ortogonalnych kwadratów łacińskich rzędu \(n\): niech element stojący w \(i\)-tym wierszu \(j\)-tej kolumny \(r\)-tego kwadratu (oznaczanego jako \(L_r\)) będzie równy \(L_r(i,j)=(i+rj)\mod n,\) przy czym \(i,j,r\in\mathbb{Z}_n\) oraz \(r\neq 0.\) Dla przykładu, jeśli przyjmiemy \(n=5,\) otrzymamy poniższe kwadraty łacińskie. \[\renewcommand{\arraystretch}{1.2}\begin{array}{|c|c|c|c|c|} \hline0&1&2&3&4\\ \hline1&2&3&4&0\\ \hline2&3&4&0&1\\ \hline3&4&0&1&2\\ \hline4&0&1&2&3\\ \hline\end{array} \ \ \ \renewcommand{\arraystretch}{1.2}\begin{array}{|c|c|c|c|c|} \hline0&2&4&1&3\\ \hline1&3&0&2&4\\ \hline2&4&1&3&0\\ \hline3&0&2&4&1\\ \hline4&1&3&0&2\\ \hline\end{array} \ \ \ \renewcommand{\arraystretch}{1.2}\begin{array}{|c|c|c|c|c|} \hline0&3&1&4&2\\ \hline1&4&2&0&3\\ \hline2&0&3&1&4\\ \hline3&1&4&2&0\\ \hline4&2&0&3&1\\ \hline\end{array} \ \ \ \renewcommand{\arraystretch}{1.2}\begin{array}{|c|c|c|c|c|} \hline0&4&3&2&1\\ \hline1&0&4&3&2\\ \hline2&1&0&4&3\\ \hline3&2&1&0&4\\ \hline4&3&2&1&0\\ \hline\end{array}\] Okazuje się, że tak skonstruowane kwadraty są wzajemnie ortogonalne! Załóżmy bowiem, że kwadraty \(L_{r_1}\) oraz \(L_{r_2}\) (\(r_1\neq r_2\)) nie są ortogonalne, tzn. po połączeniu na pewnych dwóch różnych miejscach: \((i_1,j_1)\) oraz \((i_2,j_2),\) mają tę samą wartość. Oznacza to, że \[\begin{split} i_1+r_1 j_1 &\equiv i_2+r_1 j_2 \pmod{n},\\ i_1+r_2 j_1 &\equiv i_2+r_2 j_2 \pmod{n}. \end{split}\] Po odjęciu tych kongruencji stronami uzyskamy \((r_1-r_2)j_1\equiv (r_1-r_2)j_2,\) a zatem \(n \mid (r_1-r_2)(j_1-j_2).\) Skoro \(r_1\neq r_2\) oraz \(n\) jest liczbą pierwszą, dostajemy \(n\mid (j_1-j_2),\) czyli \(j_1\equiv j_2\pmod{n},\) a stąd i z pierwszej równości wyżej dostajemy \(i_1\equiv i_2\pmod{n},\) co przeczy założeniu, że \((i_1,j_1)\) oraz \((i_2,j_2)\) były różnymi miejscami.

Operacja modulo \(n\) to rozważenie reszty z dzielenia liczby \(k\) przez liczbę \(n,\) co zapisujemy \(k\ {\rm mod}\ n.\) Takie reszty tworzą zbiór \(\{0,\ldots,n-1\}\) oznaczany przez \(\mathbb{Z}_n.\) W takim zbiorze można rozważyć operacje dodawania oraz mnożenia modulo. Jeśli \(a, b\in\mathbb{Z}_n,\) wynikiem \(a+b\) w tym zbiorze jest wykonanie działania \((a+b)\mod n.\) Analogicznie definiuje się mnożenie. Tym samym, jeśli na przykład \(n=7,\) \(a=3\) i \(b=6,\) to \(a+b=2\) oraz \(a\cdot b=4.\)

Dowód tego, że konstrukcja daje kwadraty łacińskie, jest bardzo podobny do przedstawionego dowodu wzajemnej ortogonalności (oraz jest prostszy), pozostawiamy go zatem jako ćwiczenie.

image

Spróbujmy wyabstrahować te własności zbioru reszt z dzielenia przez \(n,\) które pozwoliły nam przeprowadzić powyższą konstrukcję. Na tych resztach wykonywaliśmy działania dodawania, odejmowania i mnożenia. Ponadto – w sposób niejawny – dokonywaliśmy dzielenia, kiedy z równości \((r_1-r_2)j_1\equiv (r_1-r_2)j_2\) wnioskowaliśmy \(j_1\equiv j_2,\) i tu istotne było założenie o pierwszości \(n.\) Strukturę, w której te operacje zachowują się tak, jak jesteśmy do tego przyzwyczajeni, nazywamy ciałem. W 1893 roku Eliakim Moore udowodnił, że na skończonym zbiorze można wprowadzić strukturę ciała wtedy i tylko wtedy, gdy liczba jego elementów jest potęgą liczby pierwszej – i w takim wypadku wiadomo, jak taką strukturę wprowadzić. Oznacza to, że dla \(n\) będących potęgą liczby pierwszej potrafimy w analogiczny do powyższego sposób skonstruować \(n-1\) wzajemnie ortogonalnych kwadratów rzędu \(n\) oraz, że dla \(n\) niebędących potęgą liczby pierwszej ta konstrukcja nie działa. Nie oznacza to oczywiście, że nie ma innego sposobu…ale takiego matematycy nie znają. A bardzo chcieliby poznać (lub udowodnić, że go nie ma), gdyż pozornie niewinne ,,pełne” układy wzajemnie ortogonalnych kwadratów łacińskich to tak naprawdę inne oblicze obiektu bardzo w matematyce zakorzenionego – skończonej płaszczyzny rzutowej. Wyjaśnieniu tego związku poświęcona będzie dalsza część artykułu.

Skończona płaszczyzna rzutowa to zbiór \(X\) wraz z niepustym zbiorem \(L\) złożonym z podzbiorów \(X\) (elementy \(L\) nazywamy prostymi, a elementy \(X\) punktami) o następujących własnościach, naśladujących zależności między ,,klasycznymi” prostymi i punktami na płaszczyźnie:

O prostych i punktach w podobnym, abstrakcyjnym ujęciu pisał również Bartłomiej Bzdęga w \(\Delta^{6}_{24}.\)

  • dla każdej pary różnych punktów istnieje dokładnie jedna prosta zawierająca oba punkty,

  • przecięcie (tzn. część wspólna) dwóch różnych prostych zawiera dokładnie jeden punkt,

  • istnieje taki zbiór \(4\) punktów, że żadne \(3\) spośród nich nie należą do jednej prostej.

Mówimy ponadto, że płaszczyzna rzutowa jest rzędu \(n,\) jeśli do każdej prostej należy dokładnie \(n+1\) punktów. Można uzasadnić, że wtedy istnieje dokładnie \(n^2+n+1\) punktów oraz tyle samo prostych.

Najprostszym przykładem realizującym powyższe aksjomaty jest tak zwana płaszczyzna Fano – jest to układ \(7\) punktów oraz \(7\) prostych, tworzących płaszczyznę rzędu \(2.\) Wizualizacja płaszczyzny Fano została umieszczona na marginesie. Podkreślmy, że w takiej wizualizacji proste (elementy zbioru \(L\)) nie muszą być proste (w sensie geometrii euklidesowej) – w tym przypadku prosta będąca zbiorem środków boków narysowanego trójkąta równobocznego jest oznaczona jako okrąg (pozostałe sześć prostych to odcinki).

image

Płaszczyzna rzutowa rzędu 2 (płaszczyzna Fano)

Pokażemy teraz, jak z płaszczyzny rzutowej rzędu \(n\) uzyskać \(n-1\) wzajemnie ortogonalnych kwadratów łacińskich rzędu \(n.\) Zrobimy to na przykładzie \({n=3},\) ogólna sytuacja nie różni się istotnie.

Rozpocznijmy od (wcale nietrywialnego) narysowania tej płaszczyzny rzutowej. Na marginesie przedstawionych zostało \(13\) punktów w takim układzie, w którym do jednej prostej należą dokładnie \(4\) punkty i odwrotnie – każdy punkt należy dokładnie do \(4\) prostych. Symbolami  zaznaczone zostały \(4\) punkty, z których żadne \(3\) nie leżą na jednej prostej. Taki układ punktów i prostych przeniesiemy teraz na konstrukcję kwadratów łacińskich.

image

Płaszczyzna rzutowa rzędu 3

Ustalmy dowolnie dwa punkty \(X\) i \(Y\) (oznaczenia jak na rysunku). Niech \(\ell\) będzie prostą, do której należą punkty \(X\) i \(Y\) (jest to prosta oznaczona przez podwójną linię ). Oznaczmy pozostałe punkty tej prostej przez \(Q_k\) (\(k\leq 2\)). Następnie liczbami od 1 do 3 numerujemy wszystkie proste zawierające \(X\) i różne od \(\ell\); podobnie postępujemy dla punktu \(Y.\) Każdy punkt nieleżący na prostej \(\ell\) jest wspólny dla dokładnie jednej pary ponumerowanych przed chwilą prostych. Niech \(P_{ij}\) będzie punktem wspólnym dla \(i\)-tej prostej zawierającej punkt \(X\) i \(j\)-tej prostej zawierającej punkt \(Y.\)

Dla każdego punktu \(Q_k\) (\(k\leq 2\)) etykietujemy proste różne od \(\ell,\) zawierające te punkty etykietami \(A,\) \(B\) i \(C.\) Wówczas każdy punkt \(P_{ij}\) leży na prostych o różnych etykietach. Konstruujemy teraz dwa kwadraty łacińskie w następujący sposób:

W \(i\)-tym wierszu i \(j\)-tej kolumnie \(k\)-tego kwadratu łacińskiego umieszczamy etykietę prostej łączącej \(P_{ij}\) z \(Q_k.\)

Zgodnie z tym algorytmem otrzymujemy poniższe kwadraty łacińskie i odpowiadający im kwadrat grecko-łaciński. \[\renewcommand{\arraystretch}{1.2}\begin{array}{|c|c|c|} \hline B~& C~& A\\ \hline A~& B~& C\\ \hline C~& A~& B\\ \hline \end{array}\ \ \ \renewcommand{\arraystretch}{1.2}\begin{array}{|c|c|c|} \hline C~& A~& B\\ \hline A~& B~& C\\ \hline B~& C~& A\\ \hline \end{array}\ \ \ \ \ \ \renewcommand{\arraystretch}{1.2}\begin{array}{|c|c|c|} \hline (B,C) & (C,A) & (A,B)\\ \hline (A,A) & (B,B) & (C,C)\\ \hline (C,B) & (A,C) & (B,A)\\ \hline \end{array}\] Dlaczego w ogólności otrzymane kwadraty są łacińskie? Przypuśćmy, że \(k\)-ty kwadrat taki nie jest i dla ustalenia uwagi przyjmijmy, że w \(i\)-tym wierszu powtarza się w nim pewna litera. Oznaczałoby to, że prosta z \(Q_k\) oznaczona tą literą ma dwa punkty wspólne z \(i\)-tą prostą z \(X.\) Te proste musiałyby być zatem równe, a to jest sprzeczność.

Gdyby zaś kwadraty o numerach \(k\) i \(k'\) nie tworzyły kwadratu grecko-łacińskiego, to pewne dwie proste z punktów \(Q_k\) i \(Q_{ k' }\) musiałyby przecinać się w dwóch różnych punktach \(P_{ij},\) i to też jest sprzeczność.

Co jest również ważne, algorytm można odwrócić i zamienić \(n-1\) wzajemnie ortogonalnych kwadratów łacińskich rzędu \(n\) na skończoną płaszczyznę rzutową rzędu \(n.\) Prawdziwe jest zatem następujące

Twierdzenie: Istnieje \(n-1\) wzajemnie ortogonalnych kwadratów łacińskich rzędu \(n\) wtedy i tylko wtedy, gdy istnieje skończona płaszczyzna rzutowa rzędu \(n.\)

Zgodnie z obserwacjami z pierwszej części artykułu oznacza to, że istnieją płaszczyzny rzutowe rzędu \(p^k,\) gdzie \(p\) jest liczbą pierwszą. Obecnie nie znamy przypadku płaszczyzny rzutowej wymiaru innego niż \(p^k,\) przypuszcza się więc, że to stwierdzenie charakteryzuje wszystkie \(n,\) dla których odpowiednią płaszczyznę można skonstruować.

Hipoteza: Skończona płaszczyzna rzutowa rzędu \(n\) istnieje tylko wtedy, gdy \(n\) jest potęgą liczby pierwszej.

Istnieją oczywiście pewne wyniki częściowe. Jednym z nich jest następujący fakt, pochodzący z \(1949\) roku.

Twierdzenie (Bruck–Ryser): Jeżeli istnieje płaszczyzna rzutowa rzędu \(n\) oraz \(n\equiv 1 \pmod{4}\) lub \(n\equiv 2 \pmod{4},\) to \(n\) musi być sumą kwadratów dwóch liczb całkowitych.

Ostatnie twierdzenie wyklucza w szczególności istnienie płaszczyzn rzutowych wymiaru \(6\) lub \(14,\) ale nie wyklucza istnienia płaszczyzny rzędu \(10.\) To ostatnie zostało wykazane metodami komputerowymi w \(1991\) roku. Obecnie najmniejsze \(n,\) dla którego nie wiemy, czy istnieje odpowiednia płaszczyzna rzutowa, to \(n=12.\) Warto przy tej okazji przytoczyć pracę [3], której autorzy – polscy matematycy – przedstawiają elementarny i czysto geometryczny dowód nieistnienia płaszczyzny rzutowej rzędu \(6.\)

Istnienie płaszczyzn rzutowych rzędu \(n\): \[\begin{aligned} \text{rząd} &\ \ \ \text{czy istnieje?}\\ 2 &\ \ \ \text{tak}\\ 3 &\ \ \ \text{tak}\\ 4 &\ \ \ \text{tak}\\ 5 &\ \ \ \text{tak}\\ 6 &\ \ \ \text{nie}\\ 7 &\ \ \ \text{tak}\\ 8 &\ \ \ \text{tak}\\ 9 &\ \ \ \text{tak}\\ 10 &\ \ \ \text{nie}\\ 11 &\ \ \ \text{tak}\\ 12 &\ \ \ \text{problem otwarty}\\ 13 &\ \ \ \text{tak}\\ 14 &\ \ \ \text{nie}\\ 15 &\ \ \ \text{problem otwarty} \end{aligned}\]

Na koniec wspomnijmy o jeszcze jednym zagadnieniu. Wiemy już, że płaszczyzny rzutowe rzędu \(6\) oraz \(10\) nie istnieją, wobec tego nie istnieje odpowiednio \(5\) i \(9\) wzajemnie ortogonalnych kwadratów łacińskich. Można więc postawić pytanie – jeśli nie tyle, to ile maksymalnie można ich znaleźć? W przypadku \(n=6\) odpowiedzi dostarcza nam problem \(36\) oficerów. Natomiast dla \(n=10\) odpowiedź nie jest obecnie znana – wiadomo, że istnieją dwa ortogonalne kwadraty łacińskie rzędu 10 i przypuszcza się, że nie więcej. Wreszcie, dla \(n\geq 12\) istnieje co najmniej pięć wzajemnie ortogonalnych kwadratów łacińskich rzędu \(n.\)

Literatura

[1] G. Tarry, Le Probléme de 36 Officiers, Compte Rendu de l’Association Française pour l’Avancement des Sciences (1901), 170–203.

[2] R.C. Bose, S.S. Shrikhande, E.T. Parker, Further results on the construction of mutually orthogonal Latin squares and the falsity of Euler’s conjecture, Canad. J. Math. 12 (1960), 189–203.

[3] M. Dumnicki, J. Gwoździewicz, J. Szpond, An elementary, geometric proof of the nonexistance of a projective plane of order 6, Contrib. Discrete Math. 15 (2020), 1–9.